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Phosphorus-doped iron-nitrogen-carbon catalyst with penta-coordinated single atom sites for efficient oxygen reduction

催化作用 X射线吸收光谱法 化学 无机化学 电化学 密度泛函理论 可逆氢电极 氮气 碳纤维 氧气 吸附 吸收光谱法 物理化学 材料科学 电极 计算化学 工作电极 物理 复合材料 复合数 有机化学 量子力学 生物化学
作者
Lili Fan,Xiaofei Wei,Xuting Li,Zhanning Liu,Mengfei Li,Shuo Liu,Zixi Kang,Fangna Dai,Xiaoqing Lü,Daofeng Sun
出处
期刊:Nano Research [Springer Science+Business Media]
卷期号:16 (2): 1810-1819 被引量:58
标识
DOI:10.1007/s12274-022-4939-5
摘要

Single-atomic Fe-N4 is the well-acknowledged active site in iron-nitrogen-carbon (Fe-N-C) material for oxygen reduction reaction (ORR). The adjusting of the electronic distribution of Fe-N4 is promising for further enhancing the performance of the Fe-N-C catalyst. Herein, a phosphorus (P)-doped Fe-N-C catalyst with penta-coordinated single atom sites (FeNPC) is reported for efficient oxygen reduction. Fe K-edge X-ray absorption spectroscopy (XAS) verifies the coordination environment of single Fe atom, while density functional theory (DFT) calculations reveal that the penta-coordination and neighboring doped P atoms can simultaneously change the electronic distribution of Fe-N4 and its adsorption strength of key intermediates, reducing the reaction-free energy of the potential-limiting step. Electrochemical tests validate the remarkable intrinsic ORR activity of FeNPC in alkaline media (a half-wave potential (E1/2) of 0.904 V vs. reversible hydrogen electrode (RHE) and limited current density (JL) of 6.23 mA·cm−2) and an enhanced ORR performance in neutral (E1/2 = 0.751 V, JL = 5.27 mA·cm−2) and acidic media (E1/2 = 0.735 V, JL = 5.82 mA·cm−2) with excellent stability, highlighting the benefits of optimizing the local environment of single-atomic Fe-N4.
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